طراحی، ساخت و مشخصه‌یابی داربست نانوالیاف الکتروریسی شده ترکیب ژلاتین / سلولزاستات / الاستین برای کاربرد مهندسی بافت پوست

STUDENT

DEGREE

YEAR

The aim of this study was design, fabrication and characterization of electrospun gelatin/ cellulose acetate/ elastin nanofibrous scaffold. To achieve this goal, the effect of electrospinning parameters such as applied voltage and gap distance, and solution parameters including solution concentration, polymer composition and solvent composition on pH, electrical conductivity (EC) and viscosity of solutions, and diameter and quality of fibers were investigated. After determination of the optimum conditions for fabricating qualified nanofibers with minimum diameter, the effect of solution flow rate and the collector type on morphology of the gelatin/ cellulose acetate scaffold were studied. Then, the effect of adding elastin on the Morphology, physical, chemical, mechanical and biological properties of the ternary blend scaffold was analyzed. This research also studies the effect of using a grid-like pattern as a collector on increasing the pore size of the electrospun gelatin/ cellulose acetate/ elastin scaffolds.The results showed that increasing the gelatin percent from 60 to 90 wt% and solution concentration from 14 to 20 wt %/vol % increase solution pH. Increasing the acetic acid content from 75 to 95 vol% decreased the EC from 618 to 167 µS and increased the solution viscosity from 144 to 294 mPa.s which both increases the fiber diameter. As the gelatin content increased from 60 to 90 wt%, EC was increased from 317 to 452 µS and viscosity was decreased from 256 to 169 mPa.s. Solution concentration has a quadratic effect on solution conductivity with a maximum at 17 wt %/vol %. Increasing the solution concentration from 14 to 20 wt%/vol% increased the solution viscosity and fiber diameter from 212 to 744 nm. The acid content and the solution concentration showed the highest effects on the fiber diameter and morphology. Results show a good correlation between the experimental and theoretical values from Statgrphics software. The optimum condition for fabricating qualified nanofibers with minimum diameter was 16.9 kV, 15.3 cm, 77.5 wt % of gelatin, 88.9 vol % of acetic acid and solution concentration of 20 wt %/vol %. Increasing the solution flow rate had no significant effect on fiber diameter and scaffold pore size. Electrospinning on rotating drum and parallel electrodes resulted in parallel fibers without any effect on fiber diameter and pore size. The presence of elastin in the composition changed the fiber morphology from straight to ribbon like structure. Increasing the elastin content from 0 to 5 wt% increased the fiber diameter from 220 to 505 nm and duplicated the scaffold pore size. Adding elastin to the blend decreased the contact angle, swelling ratio and degradation rate of the scaffold in solution. Increasing the amount of elastin in composition from 0 to 5% decreased the tensile modulus and increased the elongation at break of the scaffolds, significantly. The highest value of elongation was observed for the scaffold containing 5% elastin as much as 120%. In vitro experiments show that elastin-contained scaffolds support attachment and proliferation of fibroblast cells. Further increasing the elastin content from 5 to 10% had no significant effect on the scaffold properties. Overall, our results suggest the ternary blend of gelatin, cellulose acetate, and 5 wt% elastin as a good candidate for inducing skin regeneration. Using the pattern in electrospinning of the ternary blend enlarged the scaffold pore size 6 folds to 3.2 µm. Crosslink density of samples was determined using Flory- Rehner and Mooney- Rivlin models. The crosslink density decreased with increasing the elastin content from 0 to 10 wt%. Using the pattern increased the swelling ratio and degradation rate of the scaffold. Investigating the tensile properties of scaffolds revealed that using the pattern had no significant effect on tensile modulus but increased the elongation at break up to 145%. In vitro experiments revealed the patterned scaffold as a good substrate for attachment and proliferation of fibroblast cells. Overall, our results indicated that the patterned scaffold of gelatin/ cellulose acetate/ elastin could provide a better microenvironment for fibroblast cells compared to the conventional scaffolds.

هدف از پژوهش حاضر، طراحی ، ساخت و مشخصه یابی داربست نانوالیاف ازآلیاژ سه‌تایی ژلاتین/ سلولز استات/ الاستین با استفاده از روش الکتروریسی است. در این پژوهش، ابتدا تاثیر عوامل مختلف فرآیند الکتروریسی شامل ولتاژ اعمالی و فاصله میان نازل و جمع کننده، و عوامل مربوط به محلول شامل غلظت محلول پلیمری، ترکیب درصد پلیمرها در آلیاژ و ترکیب درصد مخلوط حلال بر ویژگی های محلول شامل pH، هدایت الکتریکی و گرانروی محلول، و مورفولوژی و قطر الیاف حاصل از الکتروریسی بررسی و مدل شد. پس از تعیین بهترین شرایط برای دستیابی به نانوالیاف با کمترین قطر و بهترین مورفولوژی، تاثیر دو عامل فرآیندی دیگر شامل سرعت تغذیه محلول و نوع جمع کننده بر مورفولوژی داربست ژلاتین/ سلولزاستات مورد مطالعه قرار گرفت. در ادامه، به منظور مطالعه اثر حضور الاستین در ترکیب و تعیین درصد مناسب آن، داربست های ژلاتین/ سلولزاستات حاوی 3 درصد مختلف (0، 5 و 10 درصد) از الاستین تهیه شد و مورفولوژی داربست ها و خواص فیزیکی، شیمیایی، زیستی و مکانیکی آن ها مطالعه شد. همچنین عملکرد داربست در تماس با سلول های فیبروبلاست لثه ای انسان (HGF1) از نظر ایجاد سمیت، چسبندگی و رشد سلولی مورد بررسی قرار گرفت. با توجه به اینکه اندازه منافذ داربست تاثیر بسزایی بر عملکرد داربست-سلول دارد، داربست ژلاتین/ سلولزاستات/ الاستین در بهترین شرایط بر روی الگویی مشبک الکتروریسی شد تا اثر استفاده از این نوع جمع کننده بر افزایش اندازه منافذ داربست و بر خواص فیزیکی، زیستی و مکانیکی داربست نیز بررسی شود. در پایان نیز، سلول های فیبروبلاست بر روی داربست تهیه شده کشت داده شد و عملکرد سلول ها بر روی داربست مطالعه شد. نتایج این پژوهش نشان داد که افزایش درصد وزنی ژلاتین در آلیاژ پلیمری ژلاتین/ سلولزاستات از 60 تا 90 درصد وزنی و افزایش غلظت محلول پلیمری از 14 تا 20 درصد وزنی/ حجمی، pH محلول را افزایش می دهد. افزایش درصد اسید استیک از 75 تا 95 درصد حجمی منجر به کاهش هدایت الکتریکی محلول از 618 تا 167 میکروزیمنس و افزایش گرانروی محلول از 144 تا 294 میلی پاسکال ثانیه شد که هردو قطر الیاف را افزایش و امکان تشکیل بید را کاهش می دهند. افزایش درصد ژلاتین از 60 تا 90 درصد وزنی ، هدایت الکتریکی محلول را از 317 تا 452 میکروزیمنس افزایش داده، و باعث کاهش گرانروی محلول از 256 تا 169 میلی پاسکال ثانیه می شود. غلظت محلول نیز به صورت توان دو با نقطه ماکزیممی در 17 درصد وزنی/ حجمی، بر هدایت الکتریکی محلول تاثیر دارد. با افزایش غلظت محلول از 14 تا 20 درصد وزنی/ حجمی، گرانروی محلول افزایش یافته، قطر الیاف از 212 تا 744 نانومتر افزایش یافت. ترکیب درصد مخلوط حلال ها و غلظت محلول بیشترین تاثیر را بر قطر و مورفولوژی الیاف ژلاتین/ سلولزاستات داشتند. انطباق بسیار خوبی بین نتایج تجربی و مقادیر پیش بینی شده توسط نرم افزار Statgraphics مشاهده شد. شرایط مناسب برای دستیابی به نانوالیاف با کمترین قطر و بهترین مورفولوژی، ولتاژ kV 9/16، فاصله cm 3/15، 5/77 درصد وزنی ژلاتین، 9/88 درصد حجمی اسید استیک و غلظت 20 درصد وزنی/حجمی تعیین شد. افزایش سرعت تغذیه محلول از 5/0 به 1 میلی لیتر بر ساعت، تاثیر معناداری بر قطر الیاف و اندازه منافذ داربست نداشت. استفاده از جمع کننده های از نوع استوانه دوار و الکترودهای موازی، الیافی با آرایش تقریبا یک سویه ایجاد نمود، ولی تاثیر معناداری بر قطر الیاف و اندازه منافذ داربست نداشت. حضور الاستین باعث تغییر مورفولوژی الیاف از حالت صاف به نواری شکل شد. افزایش درصد الاستین در ترکیب از 0 تا 5 درصد وزنی، قطر الیاف را از 220 تا 505 نانومتر افزایش داد و اندازه منافذ داربست را دو برابر نمود. حضور الاستین زاویه تماس آب، درصد تورم و سرعت تخریب داربست در محلول را کاهش داد. حضور الاستین در ترکیب، مدول کششی داربست را کاهش داد، ولی تاثیر چشمگیری بر افزایش ازدیاد طول در نقطه شکست داشت. بیشترین ازدیاد طول در نقطه شکست به میزان 120 درصد در داربست حاوی 5 درصد وزنی الاستین مشاهده شد. حضور الاستین در ترکیب داربست نه تنها سمیتی برای سلول های فیبروبلاست ایجاد نکرد، بلکه به رشد سلولی نیز کمک نمود. افزایش مقدار الاستین از 5 تا 10 درصد وزنی تاثیر معناداری بر خواص داربست نداشت. بنابراین با افزودن تنها 5 درصد وزنی الاستین به ترکیب ژلاتین و سلولزاستات، آلیاژی با ترکیب شیمیایی و خواص فیزیکی مکانیکی شبیه بافت پوست تهیه شد. به منظور تعیین دانسیته اتصالات عرضی از مدل های فلوری- رهنر و مونی- رولین استفاده شد. استفاده از صفحه مشبک به عنوان جمع کننده در الکتروریسی ترکیب حاوی 5 درصد وزنی الاستین اندازه منافذ داربست را حداقل تا 6 برابر و به 2/3 میکرومتر افزایش داد. میزان تورم و سرعت تخریب داربست جمع شده بر روی صفحه مشبک بالاتر از داربست متداول بود. منافذ بزرگتر داربست تهیه شده با صفحه مشبک تاثیری بر مدول کششی داربست نداشت، ولی ازدیاد طول را به 145% افزایش داد. این داربست برهم کنش بسیار مناسبی با سلول های فیبروبلاست نشان داد و باعث بهبود قابل توجه چسبندگی، رشد و تکثیر سلول های فیبروبلاست شد. بنابراین، داربست نانوالیاف ژلاتین/ سلولزاستات/ الاستین الکتروریسی شده بر روی جمع کننده صفحه مشبک می تواند داربستی مناسب برای بازسازی بافت پوست باشد.